閥控密封鉛酸蓄電池作為成熟、穩定而又性價比高的儲能介質,在各個行業得到廣泛應用。但是由于其組成部分中包含有液態電解液以及其固有的電化學特性,其在低溫環境下放電性能并不理想。而在我們的日常生活和工業應用中,需要采用蓄電池實現后備供電的應用場景是極其普遍的,例如在具備遠動功能的電氣化鐵路沿線都裝設了大量的智能型箱式變電站,這些箱式變電站都會配備帶蓄電池的UPS。由于箱式變電站密封性不高,對內部元器件的防護較差,因此蓄電池的運行環境較為惡劣,尤其是在冬季北方地區的低溫環境下,蓄電池經常不能放電或者放電容量非常低,不能滿足遠動系統安全運行所需要的后備時間要求,成為鐵路安全運行的潛在隱患。因此有必要尋找更適合的儲能介質以適應這種低溫環境下應用場景。

  目前可以作為儲能介質的產品有很多,包括閥控密封鉛酸蓄電池、卷繞式純鉛蓄電池、鋰電池、超級電容等等。由于鋰電池在低溫環境下的容量衰減也較為嚴重,超級電容的能量密度比太低,經過多方面比較分析,發現卷繞式純鉛蓄電池是目前相對比較合適的一種儲能介質。

  卷繞式純鉛蓄電池是以卷繞方式組合成形的電芯所組成的電池,稱為卷繞電池(圖2)。其最早主要作為室外工程機械或汽車的啟動電池使用,主要特點是啟動電流大,高低溫特性好,循環使用壽命長,沒有游離電解液,能適用于各類復雜環境,-55℃～65℃均可正常使用。安裝方便,密封式結構使得電池可以隨意橫向或倒立安裝,不會漏液。同時,卷繞式純鉛蓄電池采用圓形結構設計,解決了殼體在高溫情況下,熱失控鼓脹而變形問題。結構如圖2所示。

  為了定性及定量地比較卷繞式純鉛蓄電池和普通閥控密封鉛酸蓄電池在低溫環境下的放電性能，我們分別在實驗環境和實際工程應用環境下對兩者進行了比較試驗，給出試驗的相關方案及其結果。

  1 研究方法

  在實驗室測試(以阻性負載為主，配合施耐德塑殼開關電動操作機構)，在實際運行場所測試(接近于實際負載)，并在哈爾濱鐵路局齊齊哈爾供電段進行實地試驗，以及在我局管段范圍內實驗性應用。

  2 測試方案

  (1)準備

  ①某品牌普通閥控密封蓄電池4只(12V/24Ah),每次試驗前在室溫環境下完全充滿電,蓄電池選用某合資品牌。

  ②某品牌卷繞式純鉛電池4只(12V/25Ah),每次試驗前在室溫環境下完全充滿電,卷繞式純鉛電池選用某國產品牌。

  ③配備高低溫箱、萬用表、負載儀、耐德塑殼斷路器(配電動操作機構)、蓄電池測試儀等實驗儀器。

  (2)試驗室測試方案

  以2kVAUPS連接4只蓄電池，高低溫實驗箱設置溫度-40℃，分別將全部閥控密封鉛酸蓄電池或卷繞式純鉛蓄電池整體放置于高低溫箱中凍8h，外接阻性負載以及施耐德塑殼斷路器電動操作機構。斷開交流輸入電源，使UPS完全工作于電池逆變輸出模式。每半小時分合閘6次(模擬3個電動開關各分合閘2次)。測量電池電壓6次，并計算平均值。

  (3)實際應用工況測試方案

  在東北地區冬季低溫環境下，將UPS及4節閥控密封鉛酸蓄電池或卷繞式純鉛蓄電池放置箱式變電站內(不采暖、不加熱)，經完全凍透一晚(超過8h)后，以蓄電池模式逆變輸出。采集每天的室外氣溫條件以及前天夜間更低氣溫。每半小時分合閘6次(模擬3個電動開關各分合閘2次)。測量輸出電壓(交、直)、電池電壓。兩種不同蓄電池測試時，要盡量在室外溫度相差不大的天氣下進行測試。

  3 研究過程和相關數據

  (1)實驗室測試結果見圖3、圖4、表1、表2從以上試驗數據結果可以看出,在低溫-40℃環境及同樣負載情況下,閥控密封鉛酸蓄電池的放電時間為204min,卷繞式純鉛蓄電池為282min,卷繞式純鉛蓄電池的放電容量約比閥控密封鉛酸蓄電池的多40%。